FPGA实现串口通信：时序设计与系统框图解析

"基于FPGA的串口通信时序设计" 串口通信是电子工程和计算机领域中常见的数据传输方式，特别是在嵌入式系统和微控制器应用中。本文将重点讨论如何在FPGA（Field-Programmable Gate Array）中实现串口通信的时序设计，同时对比与IIC（Inter-Integrated Circuit）协议的区别。 首先，串口通信与IIC协议的主要区别在于它们的通信方式。IIC是一种半双工协议，即在同一时间内只能进行发送或接收，而串口是全双工协议，允许同时进行发送和接收数据。IIC使用两根线，一根数据线和一根时钟线，而串口通常只需要两根线，分别用于发送和接收，没有单独的时钟线。尽管如此，串口仍然能够通过预设的波特率实现收发同步。 串口通信的时序包含收发两个方面。收时序和发时序虽然基本相同，但在实际设计中通常需要独立实现两个模块。一帧完整的串口数据包括起始位、数据位（低位在前）、停止位，以及可选的奇偶校验位。奇偶校验位用于检查数据传输的准确性，通过计算数据位中"1"的个数是奇数还是偶数来确定。在本例中，由于传输的数据较为简单，因此省略了奇偶校验位。 波特率是串口通信的关键参数，定义了每秒传输的位数（bits per second, bd/s）。例如，如果一秒钟内传输960帧数据，每帧包含10位，那么波特率就是9600bd/s。发送端和接收端必须保持相同的波特率才能正确解码接收到的数据。 在FPGA实现的系统中，串口通信通常会涉及硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写的数据收发模块。这些模块可能需要与FIFO（First-In-First-Out）缓冲区交互，以处理不同速度的时钟域间的数据传输问题。FIFO作为一个先进先出的存储结构，确保了数据的正确顺序，并提供了一种有效的方法来缓存和管理数据流。 在上述系统框图中，可以看到发送模块通过矩阵键盘获取按键值，将数据写入FIFO，然后由串口发送模块读取并传输到上位机的串口调试助手。接收模块则从串口调试助手接收数据，将其存入FIFO，最后由数码管读取并显示。这样的设计使得系统能独立调试发送和接收功能。 基于FPGA的串口通信时序设计涉及到串口协议的理解、FPGA逻辑设计、FIFO的使用以及与外部设备的接口设计。通过精确控制时序，可以在FPGA中实现高效、可靠的串口通信功能，这对于各种嵌入式系统和单片机应用至关重要。